典型燃气轮机发电设备的技术特点

第三部分

第四章典型燃气轮机发电设备的结构特点4/11/20241.典型燃气轮机发电设备的结构特点目前世界范围内生产燃气轮机的厂家很多。技术派系的代表性厂家有GE公司、Westinghouse公司、Siemens公司和ABB公司等四大系列；经合并收购后，目前GE动力公司，Siemens/Westinghouse动力公司、MHI、ALstom成为目前生产重型燃机的代表性厂家；4/11/20242.典型燃气轮机发电设备的结构特点GE公司燃气轮机的技术特点Siemens公司燃气轮机的技术特点Alstom公司燃气轮机的技术特点Mitsubishi公司燃气轮机的技术特点4/11/20243.GE公司燃气轮机的技术特点一、GE公司的燃气轮机技术的发展4/11/20244.GE公司燃气轮机的技术特点一、GE公司的燃气轮机技术的发展4/11/20245.一、GE公司的燃气轮机技术的发展4/11/20246.一、GE公司的燃气轮机技术的发展1、初期设计（主要以6B型机组为代表）2、模化设计（主要以7EA、9E机组为代表）3、加级设计相应提高初温，改善冷却（主要以9EC、9FA机组为代表）4、全新压气机设计，大幅度提高初温，陶瓷隔热涂层，蒸汽冷却（以9H机组为代表）4/11/20247.1、初期设计（主要以6B型机组为代表）20世纪50年代中期，GE公司的压气机主要是RA型，16级，压比7—8，流量90—100kg/s70年代，B型压气机，17级，压比增至11.8，流量增至138kg／s。燃机功率40MW4/11/20248.2、模化设计（7EA、9E机组）80年代中期，GE公司为满足对燃气轮机功率增大的需要，采用模化设计的方法，推出了7E和9E机组。4/11/20249.3、FA，FB级机组GE的F级燃气轮机是1986年推出的，它利用了GE航空发动机部门和GE公司的研究及开发中心的先进技术。1990年，GE公司推出了F级的功率增强型FA，1996年，又推出新的9FA机组，并按模化准则，相应产生了7FA和6FA机组。FA燃气轮机都有一个18级的压气机和一个3级的透平。F燃气轮机回复到单轴发电机组常规的双支点结构，并采用冷端驱动和轴向排气。FA机组使用一种冲击冷却过渡段，高温部件涂隔热陶瓷涂层，蜂窝密封结构，配合压比提高，初温相应提高到1288℃，热效率达到35.7％，单机功率226.5MW。4/11/202410.3、FA，FB级机组4/11/202411.FB机组4/11/202412.4、全新设计的H级机组GE公司在21世纪推出的最新产品是H型燃气轮机，有3600r／min的MS7001H和3000r／min的MS9001H两种型号。H技术是GE公司的航空发动机和发电两部门以及联合开发中心共同努力的结果，是先进的航空发动机技术移植到电站燃气轮机上的产物。4/11/202413.4、全新设计的H级机组4/11/202414.4、全新设计的H级机组4/11/202415.4、全新设计的H级机组4/11/202416.二、GE燃气轮机的结构特点1、轴流式压气机GE轴流式压气机的气缸、外壳和框架都有水平中分面。压气机的每一级叶片都有其独立的轮盘。各轮盘装配时用一组轴向螺栓紧固，通过选择螺栓的节圆直径形成动态刚性转子很好地传递扭矩。从压气机未级叶轮抽气以供应冷却空气给透平和转子叶片。抽气系统气流相对于透平作径向流动，它从压气机的轮盘外径进口处吸入低压损的压缩空气，冷却空气也完全从径向进入转子中心以避免产生旋涡。压气机叶轮材料基本上使用三种合金钢，即CrMov、NiCrMo和NiCrMoV4/11/202417.二、GE燃气轮机的结构特点2、燃烧系统除MS1002之外的所有重型燃气轮机都使用分管逆流式燃烧室，该系统尺寸较短、结构紧凑、重量轻，用法兰安装于同一透平缸上，并具有广泛的适应性。（1）小直径燃烧器可以控制空气流型以实现控制烟气和低N0x；（2）可以简单地增加燃烧室的直径以适应低热值气体燃料的燃烧；（3）设计上很容易适应方案变更，如增加喷水注射；（4）部件可以设计得足够小以达到理想的冷却效果。4/11/202418.二、GE燃气轮机的结构特点3、透平燃气透平的发展，一直围绕着提高进气初温进行。主要措施是改进喷嘴和动叶的材料，完善叶片的冷却技术。透平采用大焓降和低反动度的级，每个单级都有很高的功率输出。透平动叶的空冷循环是在转子内部进行的。所有透平为避免共振都采取了二个重要措施：长柄叶根和根体围带。4/11/202419.典型燃气轮机发电设备的结构特点GE公司燃气轮机的技术特点Siemens公司燃气轮机的技术特点Alstom公司燃气轮机的技术特点Mitsubishi公司燃气轮机的技术特点4/11/202420.Siemens公司燃气轮机的技术特点Siemens公司自1998年收购Westinghouse公司的发电事业部（PGBU）成立SiemensWestinghouse动力公司（SWPC）后，它现已拥有两种风格的燃气轮机，即SiemensKWU及SiemensWestinghouse两种技术。4/11/202421.Siemens公司燃气轮机的技术特点SiemensKWU与SiemensWestinghouse都致力于将其自身的重型燃气轮机与航空发动机技术相结合以充分分享航空发动机领域的先进技术，他们都在压气机上采用了“可控扩压”设计，使单轴压气机的压比提高到了24—30的水平；透平叶片采用航空发动机的先进冷却结构及单晶铸造叶片工艺，使燃气透平前的进气温度提高到1300℃的水平。在此基础上，它们分别推出了V94.3A、701F型燃气轮机。4/11/202422.一、SiemensKWU的燃气轮机技术V94.3A1993年220MW4/11/202423.4/11/202424.一、SiemensKWU的燃气轮机技术标准的KWU系列，其特征包括具有单一中心孔的轮盘转子、端面（Hirth）齿式轮盘联轴器、两个外置轴承、水平中分面气缸、冷端驱动和轴向排气等。4/11/202425.一、SiemensKWU的燃气轮机技术（一）压气机1、V84.3A型燃气轮机的压气机为15级，轴流式，压比16.5，空气流量454kg／s，只有进口导叶采用可调式，全部静叶片均为固定式;2、叶栅设计为了达到最佳效率，全部采用了所谓“可控制扩散翼形”的新叶型；3、采用了第一级启动抽气级装在前置压气机壳内的结构设计原则。这种缸体结构具有中分法兰和上下加强筋，这样可产生与叶轮相同的轴向和径向完全对称的热膨胀，使最佳的叶片间隙在运行中始终保持不变。4/11/202426.一、SiemensKWU的燃气轮机技术（二）环形燃烧室1、由24个预混式低N0x燃烧器组成，可以燃用天然气和石油两种燃料，预混式燃烧器在燃用上述两种燃料时的空气燃料比约为2：1，多燃料燃烧器还可燃用低热值气化燃料，为世界所独有，且Nox排放量很低。2、燃烧器变小，使环形燃烧室内的预混火焰变得更短。3、燃烧室采用的结构是双层壳体结构，铸铁壳体构成了牢固的外形，刚度大，暴露在高温燃气中的表面侧衬有陶瓷合金隔热片。4、环形燃烧室构成了表面积与容积的最佳比例，因而单位冷却空气需要量最少，其主要优点是减少了燃烧室表面积（与圆筒型燃烧室比较）。4/11/202427.一、SiemensKWU的燃气轮机技术（三）燃气透平1、透平的结构设计沿用4级透平方案。第1、2级叶片为单晶铸造叶片，透平第一级静叶片和第一级动叶片的叶型表面均采用ZrO陶瓷热障涂层（TBC）2、透平转子的每级均采用自由叶片，流道内不存在某种阻尼元件引起的任何干扰，由此可实现最佳的流动工况。3、所有叶片均具有高效率的叶型和空气冷却系统。4/11/202428.SiemensWestinghouse的燃气轮机技术Westinghouse燃气轮机主要技术特点有：（1）单轴转子由分开的压气机和透平两个部分构成。透平和压气机的转子分别由轮盘和螺纹拉杆连接而成，通过中间联轴器连接；（2）转子由压气机进口侧和透平出口侧相应处的两个轴承支持，轴颈轴承为带负荷的双单元可倾瓦式，摩擦损失较小；（3）推力由一个可倾瓦轴承承受，推力轴承采用有定向油槽的强制润滑方式；（4）透平排气缸内安放后轴颈轴承，且由8个切向支柱支撑，以保持对中；4/11/202429.SiemensWestinghouse的燃气轮机技术Westinghouse燃气轮机主要技术特点有：（5）燃气透平和压气机的动叶片与轮盘之间均采用嵌合结构，便于拆卸检查；（6）燃气透平采用分段的和隔热的隔板套，这样可以防止静叶环受热变形，在叶顶部分可以保持最小的阎隙；（7）发电机由温度变化较小的压气机端（冷端）驱动，透平排气采用成熟的轴向排气结构，易于与余热锅炉组合连接；（8）气缸采用水平中分结构，开缸解体比较方便。4/11/202430.4/11/202431.典型燃气轮机发电设备的结构特点GE公司燃气轮机的技术特点Siemens公司燃气轮机的技术特点Alstom公司燃气轮机的技术特点Mitsubishi公司燃气轮机的技术特点4/11/202432.Alstom公司燃气轮机的技术特点一、顺序燃烧系统4/11/202433.Alstom公司燃气轮机的技术特点4/11/202434.4/11/202435.Alstom公司燃气轮机的技术特点一、顺序燃烧系统

在透平进气温度保持不变的条件下，顺序燃烧系统就能比常规的单级燃烧室的燃气轮机有更高的热力效率，更大的功率密度。因此，在顺序燃烧时，就相同的功率输出而言，可沿用原有较低的透平进气温度，这样可不必采用新的高温材料，或不必增加过多的冷却流量，以及可降低Nox的排放量。4/11/202436.Alstom公司燃气轮机的技术特点GT26机组在结构上与常规燃气轮机十分相似，其特点为：（1）单轴双轴承结构；（2）锻造毛坯焊接的单片低维修叶轮；（3）22级亚音速轴流压缩机，具有可凋控的扩散翼面叶片设计；（4）3级可变角度的导向叶片；（5）4级低压透平在1到3级有冷却叶片，在2到4级有围带叶片；（6）带有水平中分面的气缸和静叶托架；（7）冷端驱动发电机、轴垂直的进气系统、透平轴向排气；（8）环状紧密排列的30个第一级圆锥形EV燃烧器和24个第二级SEV燃烧器。GT26机组具有设计紧凑、叶片长度较短、叶顶速度较小的特点，因此，应力低、可靠性大。4/11/202437.典型燃气轮机发电设备的结构特点GE公司燃气轮机的技术特点Siemens公司燃气轮机的技术特点Alstom公司燃气轮机的技术特点Mitsubishi公司燃气轮机的技术特点4/1